แถบสื่อสารออปติก เรโซเนเตอร์ออปติกบางเฉียบ

แถบสื่อสารออปติก เรโซเนเตอร์ออปติกบางเฉียบ
ตัวสะท้อนแสงสามารถระบุตำแหน่งความยาวคลื่นแสงที่เจาะจงในพื้นที่จำกัดได้ และมีการใช้งานที่สำคัญในการโต้ตอบระหว่างแสงกับสสารการสื่อสารด้วยแสง, การตรวจจับด้วยแสง และการบูรณาการด้วยแสง ขนาดของเรโซเนเตอร์ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุและความยาวคลื่นในการทำงานเป็นหลัก ตัวอย่างเช่น เรโซเนเตอร์ซิลิกอนที่ทำงานในแถบอินฟราเรดใกล้โดยปกติแล้วจะต้องมีโครงสร้างออปติกที่มีขนาดหลายร้อยนาโนเมตรขึ้นไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เรโซเนเตอร์ออปติกแบบระนาบที่บางเป็นพิเศษได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการใช้งานในด้านสีโครงสร้าง การถ่ายภาพแบบโฮโลแกรม การควบคุมสนามแสง และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การลดความหนาของเรโซเนเตอร์แบบระนาบเป็นปัญหาที่ยากอย่างหนึ่งที่นักวิจัยต้องเผชิญ
ฉนวนโทโพโลยี 3 มิติ (เช่น บิสมัทเทลลูไรด์ แอนติโมนีเทลลูไรด์ บิสมัทเซเลไนด์ เป็นต้น) แตกต่างจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ถือเป็นวัสดุข้อมูลใหม่ที่มีสถานะพื้นผิวโลหะและสถานะฉนวนที่ได้รับการปกป้องด้วยโทโพโลยี สถานะพื้นผิวได้รับการปกป้องโดยสมมาตรของการผกผันของเวลา และอิเล็กตรอนของพื้นผิวจะไม่กระจัดกระจายโดยสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ซึ่งมีแนวโน้มการใช้งานที่สำคัญในการคำนวณควอนตัมพลังงานต่ำและอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ ในเวลาเดียวกัน วัสดุฉนวนโทโพโลยียังแสดงคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม เช่น ดัชนีหักเหแสงสูง อัตราส่วนการไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ออปติคอลค่าสัมประสิทธิ์ ช่วงสเปกตรัมการทำงานที่กว้าง ความสามารถในการปรับแต่ง การบูรณาการที่ง่าย ฯลฯ ซึ่งให้แพลตฟอร์มใหม่สำหรับการดำเนินการควบคุมแสงและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์.
ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอวิธีการผลิตเรโซเนเตอร์ออปติกแบบบางพิเศษโดยใช้นาโนฟิล์มฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์ที่เติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่ โพรงออปติกแสดงลักษณะการดูดซับเรโซแนนซ์ที่ชัดเจนในแถบอินฟราเรดใกล้ บิสมัทเทลลูไรด์มีดัชนีหักเหแสงสูงมากที่มากกว่า 6 ในแถบการสื่อสารออปติก (สูงกว่าดัชนีหักเหแสงของวัสดุที่มีดัชนีหักเหแสงสูงแบบดั้งเดิม เช่น ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม) ดังนั้นความหนาของโพรงออปติกจึงสามารถเข้าถึงหนึ่งในยี่สิบของความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้ ในเวลาเดียวกัน เรโซเนเตอร์ออปติกจะถูกสะสมบนผลึกโฟตอนิกแบบมิติเดียว และสังเกตเห็นเอฟเฟกต์ความโปร่งใสเหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าแบบใหม่ในแถบการสื่อสารออปติก ซึ่งเกิดจากการจับคู่เรโซเนเตอร์กับพลาสมอนแทมม์และการรบกวนแบบทำลายล้าง การตอบสนองทางสเปกตรัมของเอฟเฟกต์นี้ขึ้นอยู่กับความหนาของเรโซเนเตอร์ออปติกและมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสงโดยรอบ งานนี้เปิดหนทางใหม่ให้กับการสร้างโพรงออปติกที่บางเป็นพิเศษ การควบคุมสเปกตรัมวัสดุฉนวนโทโพโลยี และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ตามที่แสดงในรูปที่ 1a และ 1b ตัวสะท้อนแสงประกอบด้วยฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์และฟิล์มนาโนเงินเป็นหลัก ฟิล์มนาโนบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมโดยการสปัตเตอร์แมกนีตรอนมีพื้นที่ขนาดใหญ่และมีความเรียบดี เมื่อความหนาของฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์และเงินอยู่ที่ 42 นาโนเมตรและ 30 นาโนเมตรตามลำดับ โพรงแสงจะแสดงการดูดซับเรโซแนนซ์ที่แข็งแกร่งในแถบ 1100~1800 นาโนเมตร (รูปที่ 1c) เมื่อนักวิจัยผสานโพรงแสงนี้เข้ากับผลึกโฟตอนิกที่ทำจากชั้น Ta2O5 (182 นาโนเมตร) และ SiO2 (260 นาโนเมตร) สลับกัน (รูปที่ 1e) หุบเขาการดูดซับที่ชัดเจน (รูปที่ 1f) จะปรากฏขึ้นใกล้กับจุดสูงสุดการดูดซับเรโซแนนซ์เดิม (~1550 นาโนเมตร) ซึ่งคล้ายกับเอฟเฟกต์ความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยระบบอะตอม

วัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ได้รับการกำหนดลักษณะโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านและการวัดแบบวงรี รูปที่ 2a-2c แสดงภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (ภาพความละเอียดสูง) และรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่เลือกของนาโนฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์ จากรูปจะเห็นได้ว่านาโนฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมไว้เป็นวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ และทิศทางการเติบโตหลักคือระนาบผลึก (015) รูปที่ 2d-2f แสดงดัชนีหักเหเชิงซ้อนของบิสมัทเทลลูไรด์ที่วัดโดยเครื่องตรวจวัดแบบวงรีและดัชนีหักเหเชิงซ้อนของสถานะพื้นผิวและสถานะที่พอดี ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของสถานะพื้นผิวมีค่ามากกว่าดัชนีหักเหในช่วง 230~1930 นาโนเมตร ซึ่งแสดงลักษณะคล้ายโลหะ ดัชนีหักเหของตัววัตถุมีค่ามากกว่า 6 เมื่อความยาวคลื่นมากกว่า 1385 นาโนเมตร ซึ่งสูงกว่าของซิลิกอน เจอร์เมเนียม และวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงแบบดั้งเดิมอื่นๆ ในแถบนี้มาก ซึ่งวางรากฐานสำหรับการเตรียมเรโซเนเตอร์ออปติกแบบบางพิเศษ นักวิจัยชี้ให้เห็นว่านี่เป็นการรายงานครั้งแรกเกี่ยวกับการสร้างโพรงออปติกแบบระนาบฉนวนโทโพโลยีที่มีความหนาเพียงสิบนาโนเมตรในแถบการสื่อสารออปติก ต่อจากนั้น สเปกตรัมการดูดกลืนและความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของโพรงออปติกแบบบางพิเศษถูกวัดด้วยความหนาของบิสมัทเทลลูไรด์ ในที่สุด ผลกระทบของความหนาของฟิล์มเงินต่อสเปกตรัมความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าในโพรงนาโนบิสมัทเทลลูไรด์/โครงสร้างผลึกโฟตอนิกก็ถูกศึกษา

การเตรียมฟิล์มแบนบางขนาดใหญ่ของฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์ และใช้ประโยชน์จากดัชนีหักเหแสงที่สูงมากของวัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ในแถบอินฟราเรดใกล้ ทำให้ได้โพรงแสงแบบระนาบที่มีความหนาเพียงสิบนาโนเมตร โพรงแสงแบบบางเฉียบสามารถดูดซับแสงเรโซแนนซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในแถบอินฟราเรดใกล้ และมีคุณค่าการใช้งานที่สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในแถบการสื่อสารด้วยแสง ความหนาของโพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์เป็นเส้นตรงตามความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ และมีขนาดเล็กกว่าโพรงแสงซิลิกอนและเจอร์เมเนียมที่คล้ายกัน ในเวลาเดียวกัน โพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์ถูกผสานเข้ากับผลึกโฟตอนิกเพื่อให้ได้เอฟเฟกต์แสงที่ผิดปกติคล้ายกับความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าของระบบอะตอม ซึ่งเป็นวิธีใหม่ในการควบคุมสเปกตรัมของโครงสร้างจุลภาค การศึกษานี้มีบทบาทสำคัญบางประการในการส่งเสริมการวิจัยวัสดุฉนวนโทโพโลยีในการควบคุมแสงและอุปกรณ์ฟังก์ชันออปติก